孫躍東(1965-)，男，江蘇揚州人，博士，上海理工大學教授，博士生導師.

基于DOE的柴油機噴油系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化研究

胡磊1,石君明2,孫躍東1,周萍1,張振東1

(1.上海理工大學 機械工程學院,上海 200093; 2.河海大學 水文水資源學院,江蘇 南京 210093)

摘要:文章利用發(fā)動機性能仿真軟件GT-Power建立柴油機計算模型,驗證了模型的準確性;選取噴油系統(tǒng)參數(shù)中預噴油量、預噴油角、主噴油角作為設計變量進行DOE試驗設計,對試驗結果進行曲面擬合;應用多目標帕累托選擇法進行參數(shù)尋優(yōu),得到發(fā)動機外特性典型工況下的最佳噴油參數(shù)。仿真分析表明,優(yōu)化后發(fā)動機功率提高,NOx排放降低,同時燃油消耗率基本保持不變,Soot惡化不明顯。

關鍵詞:噴油系統(tǒng);DOE模塊;響應面;參數(shù)優(yōu)化

基金項目：上海市科委科研基金資助項目(11140502000)

作者簡介：胡磊(1990-)，男，河南商丘人，上海理工大學碩士生;

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.06.005

中圖分類號:U464.1文獻標識碼：A

收稿日期：2014-05-22；修回日期：2014-07-23

基金項目：國家自然科學基金資助項目(21204016);安徽省自然科學基金資助項目(11040606M58)和中央高?；A研究基金資助項目(201210359036)

Study of parameter optimization of a diesel engine injection system based on DOE

HU Lei1,SHI Jun-ming2,SUN Yue-dong1, ZHOU Ping1, ZHANG Zhen-dong1

(1.School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 2.College of Hydrology and Water Resources, Hohai University, Nanjing 210093, China)

Abstract:Computational model of a diesel engine is established based on the engine performance simulation software GT-Power, and its accuracy is verified. The fuel injection system parameters, such as pre-injection fuel mass, pre-injection angle and main-injection angle, are selected as design variables for the design of experiment(DOE). The results of DOE are for surface fitting. The multi-objective Pareto algorithm is used to optimize parameters and the optimal solutions of engine typical operating conditions are found out. The simulation results show that engine powers increase, NOxemissions are reduced significantly, fuel consumption remains basically unchanged, and Soot is less deteriorated.

Key words:fuel injection system; design of experiment(DOE) module; response surface; parameter optimization

隨著電控高壓共軌噴油系統(tǒng)在發(fā)動機上的廣泛應用,現(xiàn)代柴油機可以方便地實現(xiàn)對噴油正時和噴油規(guī)律的靈活控制,使得多次噴射成為提高柴油機動力性和經(jīng)濟性、降低排放的一個有效途徑[1-4]。

噴油系統(tǒng)中噴油參數(shù)對氣缸內(nèi)油滴的霧化及混合氣的形成至關重要。合理的預噴油量對主噴起引燃作用,可以緩解主噴初期混合氣迅速燃燒的狀態(tài),降低NOx排放;預噴與主噴時間間隔的合理匹配能夠縮短主燃燒滯燃期,減少滯燃期內(nèi)形成可燃混合氣數(shù)量,使得燃燒變得柔和,降低排放[5]。

本文使用發(fā)動機性能仿真軟件GT-Power,以某型柴油發(fā)動機為研究對象,建立發(fā)動機仿真模型并驗證模型準確性,應用DOE(design of experiment)工具箱,在不增加燃油消耗的前提下,以提高發(fā)動機動力性及降低NOx排放為目標,優(yōu)化柴油機噴油系統(tǒng)參數(shù)。

1仿真模型的建立及驗證

本文研究對象為直列四缸、兩氣門、渦輪增壓、中冷柴油發(fā)動機,其進氣方式為渦輪增壓、中冷，燃油噴射系統(tǒng)為Bosch 二代共軌系統(tǒng)，主要參數(shù)見表1所列。

表1　研究機型的主要技術參數(shù)

注：最大轉矩在2 000 r/min條件下，最大功率在3 600 r/min條件下。

1.1　整機仿真模型的建立

GT-Power是GT-Suite軟件中最強大的部分,專門用于各種發(fā)動機性能的仿真分析。軟件采用非線性N-S方程,對流體進行一維計算,同時軟件包括最新的燃燒、熱傳遞、缸內(nèi)運動和排放模型,具有較強的模擬和計算精度。為降低柴油機建模的復雜度并減少運算時間,仿真模型采用了簡化部分管路的處理方式。

柴油機整機模型主要包括5個部分:環(huán)境模塊、進排氣系統(tǒng)、氣缸、曲軸箱及噴油器模塊。其中，環(huán)境模塊包括輸入與輸出環(huán)境模塊,輸入環(huán)境指壓氣機后進氣狀態(tài),輸出環(huán)境為渦輪機前排氣狀態(tài),根據(jù)柴油機進、排氣系統(tǒng)實際狀況對氣體壓力、溫度進行合理賦值。氣缸內(nèi)燃燒模型采用軟件模型庫中準三維預測燃燒模型EngCylCombDIJet,該模型基于廣安博之準維多區(qū)燃燒建模,對燃燒速率和NOx排放的模擬具有較高的準確性,而對Soot排放的計算也有一定的參考價值[6]。熱傳遞模擬采用最新的WoschniGT模型,可以更加精確地模擬氣缸內(nèi)熱量傳遞及耗散損失[7]。噴油器模塊采用InjMultiProfileConn,主要模型參數(shù)見表2所列。

表2　噴油器主要參數(shù)

根據(jù)以上原理,該柴油機整機仿真計算模型如圖1所示。

圖1　整機仿真計算模型

1.2　模型的驗證

該柴油發(fā)動機外特性曲線上共有7個典型工況點,通過對仿真模型進行修正,計算出各工況下柴油機的功率、有效燃油消耗率及NOx排放,并與原機試驗結果進行對比。

功率、有效燃油消耗率和NOx的仿真計算與試驗數(shù)據(jù)對比如圖2所示,其中,NOx仿真及數(shù)據(jù)未加排放后處理。結果表明,柴油機外特性工況點功率、有效燃油消耗率、NOx排放的最大誤差分別為3.0%、4.4%、4.8%,誤差都不超過5.0%,說明仿真模型具有較高的準確性,可以代表原機進行優(yōu)化分析。

圖2　功率、燃油消耗率、NO x仿真計算及試驗對比

2DOE試驗設計與優(yōu)化

本文的優(yōu)化目標為發(fā)動機在額定工況下,不降低燃油經(jīng)濟性的前提下,提高柴油機的動力性,降低NOx排放。發(fā)動機在外特性曲線上共有7個典型工況點,本文以2 000 r/min工況點為例,對試驗設計與優(yōu)化的過程進行詳細的介紹。

2.1　自變量的定義

自變量輸入見表3所列，其中主、預噴油角指CA、TDC條件下，下同。

表3　自變量輸入

2.2　抽樣方法的選擇

本文采用拉丁超立方體抽樣法(LHS)[8]進行樣本的采集。LHS作為一種受約束的抽樣方法,在確定試驗次數(shù)后,會根據(jù)試驗次數(shù)將區(qū)間等分成互不重疊的子區(qū)間,然后在每個子區(qū)間上進行獨立的等概率抽樣。采用拉丁超立方體抽樣,樣本能更加準確地反映輸入的概率分布,可以顯著減少抽樣次數(shù),從而減少試驗次數(shù)。

2.3　曲面擬合

在2 000 r/min外特性工況下進行400次試驗的模擬計算,并對試驗的原始數(shù)據(jù)進行曲面擬合。由于優(yōu)化計算是依靠對響應曲面插值得到優(yōu)化結果,因此,響應面擬合的精度對優(yōu)化選擇的結果至關重要。預噴油量為5 mg時,預噴油角和主噴油角對功率的響應面,如圖3所示。DOE模塊可對響應面的擬合質量進行衡量,本文中功率、有效燃油消耗率、NOx的R-Sqr擬合精度分別為0.999 8、0.998 6、0.998 3,擬合精度較高,可用于多目標優(yōu)化計算。

圖3　預噴及主噴油角對功率的響應面

2.4　自變量影響顯著性分析

自變量及交互項對功率的影響如圖4所示。由圖4可以看出,自變量中預噴油量和主噴油角對功率的影響最大,預噴油量對功率的影響是正相關的,主噴油角對功率的影響是負相關的,預噴油角對功率的影響相對較小。

圖4　自變量及交互項對功率的影響

2.5　優(yōu)化計算

DOE優(yōu)化模塊提供2種基于響應面的優(yōu)化方法,本文研究為多目標優(yōu)化問題,因此選擇Multi-Objective Pareto優(yōu)化方法。在多目標Pareto優(yōu)化設計中,通常不存在1個優(yōu)化解能同時使所有目標函數(shù)達到最優(yōu),但是能夠得到同時滿足幾個目標函數(shù)的解,即Pareto最優(yōu)解[9]。本文以功率最大和NOx排放最小為優(yōu)化目標、燃油經(jīng)濟性及Soot排放為約束條件,進行多目標優(yōu)化。其中樣本容量為40,最大迭代次數(shù)為100,迭代收斂后,得到滿足功率最大和NOx最小的一系列Pareto解,如圖5所示,選擇其中1例Pareto最優(yōu)解并對參數(shù)值修正,結果見表4所列。

NO x/(g·kW -1·h -1)

項 目預噴油量/mg預噴油角/(°)主噴油角/(°)優(yōu)化前5-15-5Pareto最優(yōu)解6.4758-10.14880.9928修正值6.5-101

2.6　優(yōu)化效果分析

在該典型工況下,將優(yōu)化后的噴油系統(tǒng)參數(shù)進行仿真,得到優(yōu)化前后柴油機各項性能指標,見表5所列，其中燃油消耗率、NOx、Soot的單位為g/(kW·h)。

表5　優(yōu)化前、后性能指標

外特性曲線上其他典型工況可以按照以上步驟進行優(yōu)化,優(yōu)化前、后柴油機功率、有效燃油消耗率、NOx及Soot排放對比如圖6所示。

圖6　柴油機各性能指標優(yōu)化前、后對比

由圖6可知,優(yōu)化前、后,發(fā)動機在800~3 600 r/min外特性典型工況上,功率有2%～5 %的提高;NOx排放優(yōu)化效果明顯,尤其是中等轉速區(qū)域,降低幅度顯著,而低轉速區(qū)由于碳煙約束,高轉速區(qū)兼顧功率的提高等,降幅較小;有效燃油消耗率基本保持不變;Soot排放有所增加,但惡化不明顯。

3結論

(1) 基于DOE的噴油系統(tǒng)多參數(shù)聯(lián)合優(yōu)化,運用多目標帕累托選擇法,能夠達到多目標尋優(yōu)的目的。本文實例中,通過對發(fā)動機典型工況下預噴油量、預噴油角度及主噴油角度的合理選擇,在保證原機經(jīng)濟性的前提下,動力性能有所提高,NOx排放顯著降低。

(2) 運用GT-Power軟件的DOE模塊,可以快速進行大規(guī)模的試驗設計,找到不同工況下噴油系統(tǒng)參數(shù)的合理匹配,優(yōu)化過程方便、快捷,顯著加快了發(fā)動機的設計開發(fā)過程。

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(責任編輯胡亞敏)